1。3 设计要求

（1）学习并熟练使用 STM32 单片机和涉及的各种传感器。

（2）研究 PID 控制算法，实现小车倾角闭环控制。

（3）通过对信号的检测，经过相应的算法计算后，实现对电机的控制，从 而实现小车的姿态自平衡，并具有一定的抗干扰能力。

1。4 论文总体安排文献综述

第一章，前言主要介绍下本设计的研究背景和研究的意义，以及国内外的 研究情况，并结合自身的知识，对本设计进行一个大致的介绍。

第二章，主要对系统的原理，包括机械模型和数学模型进行分析和论证， 对小车的平衡的方法进行了表述。

第三章，主要对系统的主要硬件选择进行了论证，包括主控芯片，主要的 传感器，和电机等。

第四章，对系统的硬件电路进行了设计和介绍，大致介绍了系统的硬件组 成和之间的联系。

第五章，对系统的软件部分进行介绍，包括 PID 算法，多种数据使用的融 合算法等。

第六章，介绍了系统的调试的原则和方法，同时也说明了当前存在的问 题。

2 系统原理分析

2。1 两轮平衡车机械模型

本方案采用的两轮平衡车的机械模型如图 2-1，车体左右对称，最底层为 电机，电机的转轴与两轮相连；电机上一层为电机驱动板，放置电机的驱动电 路，接受控制信号控制电机；再上层为系统主控制板，放置主控芯片和各个传 感器模块；车体顶层放置用于对整个系统供电的电池，车体分为三层，每部分 用铜柱连接。

图 2-1  车体机械结构

2。2 两轮平衡车平衡原理分析

平衡小车保持平稳的原理，其实和人们日常中的经验相类似，比如一个人 的个体，可以看为一个倒立摆，大脑作为一个控制芯片，通过身体上的各个器 官的感应，得到对全身相应肌肉的控制，来保持人的直立平稳，又如，大多数 普通人可以在手指上放一根木棍来，并且让通过自身的经验来维持木棍的平 稳，且此木棍可以看为一个立体的倒立摆，控制的难度其实很大，其实在保持 平衡的过程中，人的眼睛必须要能检测到木棍的倾斜趋势，并且手臂可以随着 木棍的趋势而进行相应的运动，如此以来便可以保持木棍的平稳，这个系统其 实可以看为是一个负反馈控制系统如图 2-2 所示。

  平衡原理

相似的，平衡小车的保持姿态平衡的原理和上文介绍的基本相似，也是通 过负反馈来实现对小车的控制，并且比木棒保持平衡更加简单，因为平衡小车 的角度只有一个，不像上文提到的木棒的角度是立体的，此时小车的车轮相当 于人的手臂，作为执行机构，姿态传感器相当于人的眼睛，作为检测机构，小 车的主控芯片和控制算法相当于人的大脑，作为控制器，通过这个负反馈系 统，可以很好的保持小车的稳定，小车通过驱动车轮的转动，产生恢复力来抵 消小车的因外部扰动引起小车角度倾斜，从而产生的重力的分离，如此以来， 就可以保证小车的平衡，如图 2-3 所示，当小车向前倾倒时，车轮向前加速， 以此来获得与小车因倾斜导致的重力的分力向抵消的恢复力，如此以来，小车 就可以通过控制车轮的转动来获得加速度，从而获得恢复力来保持小车的自身 平衡。

  保持平衡的的原理

2。3  平衡小车的数学建模

2。3。1 受力分析

两轮平衡小车是一个非自然稳定的系统，因为在重力的作用下，车体的平 衡姿态不能自动的保持稳定，如图 2-4 的车体受力分析图知，如不施加外部的